泡沫镁散热器强制对流散热性能模拟研究

李贤昌，张瑛，王芳（太原科技大学，山西太原030024）

·试验研究·

泡沫镁散热器强制对流散热性能模拟研究

李贤昌，张瑛，王芳
（太原科技大学，山西太原030024）

通孔泡沫镁合金因其比表面较大且金属骨架的导热系数大，兼具强度、硬度高等特点，有望成为散热器的核心材料，以解决电子产品的散热问题。本文通过数值模拟的方法对泡沫镁合金散热器在强制对流下的散热情况进行探讨。结果表明，泡沫镁散热器散热效果优于传统散热器。其结构参数对其散热性能影响较大，表面传热系数、压降都随孔隙率、孔径的增大而减小，但其综合散热性能却随着孔隙率、孔径的增大而增大。

泡沫镁；散热器；强制对流

现如今，高集成电子产品在其运行过程中会产生大量的热，如果这些热量不能够及时散掉，就会在其核心部件周围聚集，影响其性能，所以电子产品的散热问题成为制约其快速发展的主要因素。而泡沫镁因其比表面较大且金属骨架的导热系数大，有望成为散热器的核心材料，解决电子产品的散热问题[1-3]。

本文针对泡沫镁复杂的三维网状结构，提出一种简化几何模型，在此基础上计算泡沫镁的有效热导率。同时在此几何模型上，模拟泡沫镁散热器在强制对流下的散热情况，并用实验验证，以期了解泡沫镁散热器强化散热的机理，推动电子产品的快速发展。

1 几何模型

1.1 单胞几何模型

根据前人提出的立方体几何模型，在一定程度上将各项同性的开孔泡沫金属材料抽象表征为具有规则立方体的拓扑模型，由于孔洞总是朝着表面能最小的方向转变，球型孔洞的表面能最小，在立方体的单胞中心去掉球型孔洞，即可得到开孔泡沫金属的单胞模型，这些单胞的金属骨架相互衔接，就构成了开孔泡沫金属体。图1为泡沫金属微观结构，图2为泡沫金属单胞模型。

图2表明泡沫镁单胞中的中心孔隙会和8个棱角的孔隙有重合部分，两重合孔隙的重合体积为：

图1 泡沫金属微观结构

图2 泡沫金属单胞模型

顶点处的八个孔隙球体积有部分体积属于中心孔隙主体积，被中心孔隙主体积占据的体积为：

考虑到泡沫镁合金的单胞在整个几何形状中的周期性，顶点的体积在每个单胞中只占1/4，从而，流体在泡沫镁合金立方体中所占的体积为：

将式（4）带入（1）中，得到单胞的孔隙率ε为：

1.2 宏观泡沫镁散热器的几何模型

设计泡沫镁散热器几何形状设计如图3，其基本尺寸为：散热器的泡沫镁基板面积是50mm×50mm，厚度为8mm；泡沫镁翅片高度为27mm，厚度为5mm；两个翅片之间的距离为3mm.

图3 泡沫镁散热器

所模拟的散热器很规则，因此采用结构化网格对计算区域进行离散化处理，如图4所示。

2 泡沫镁散热器中对流换热数学模型

在进行模拟之前作出如下假设[4-6]：

1）泡沫镁合金的孔隙均匀且为球形；

2）忽略热弥散效应；

3）忽略自然对流；

4）忽略热辐射。

式（6）～（10）为所用方程。

连续方程：

图4 泡沫镁的散热器网格划分

应用F L U E NT6.3软件模拟泡沫镁散热器，采用F L U E NT6.3提供的多孔介质模型，多空介质上的流动阻力，由粘性损失项和惯性损失项两部分组成：

3 模拟结果和分析

3.1 表面换热系数

图5，图6分别为不同孔隙率和孔径下的表面换热系数，在相同孔径下，泡沫镁散热器的表面换热系数随着孔隙率的增大而减小，而在相同孔隙率下，表面换热系数随着孔径增大而减小。

3.2 压降阻力

图7、图8分别为不同孔隙率和孔径下的压降阻力。随着入口处流体流速的增加，泡沫镁合金散热器的压降都会增加，当孔隙率越小，泡沫镁散热器的压降和流速的关系趋于二次方程。而当流体的流速以及泡沫镁的孔隙率相同时，压降随孔径的增大而减小。这是因为，单位体积下，泡沫金属的孔径越大，对应孔密度就越小，金属骨架就越少，对流体的阻碍作用越弱，压降越小。

图5 不同孔隙率下的表面换热系数

图6 不同孔径下的表面换热系数

图7 不同孔隙率下的压降阻力

图8 不同孔径下的压降阻力

3.3 综合换热性能

为了综合评价泡沫镁散热器的散热性能，引入一个换热系数压降比：

图9泡沫镁散热器的换热压降比和流速的关系。由图9所得：当泡沫镁散热器的孔径为2.4左右时，换热压降比大，也就是说换热效果好，其中孔隙率为70%的散热效果最好；同时随着流体流速的增加，泡沫镁散热器的换热系数压降比都有所下降，但是孔径越大，下降的幅度越大；同时孔径对换热系数的影响较孔隙率大。

图9 泡沫镁散热器的换热压降比和流速的关系

4 试验验证

4.1 数据对比

太原科技大学王超星等通过制备不同孔隙率、孔径的泡沫镁散热器[5]，用试验的方法研究强制对流换热状况下不同泡沫镁散热器的散热状况。图10为实测CP U温度曲线与模拟结果比较。

图10表明泡沫镁散热器能够有效降低CP U的温度，但是模拟数据和实验数据差别很大。这是因为，在模拟过程中，使用的流体为理想气体，并且忽略了计算机机箱中电源、显卡等其他电子元件的散热，流体的温度设定为25℃，而实际测试过程中，当CP U的使用率达到100%时，其周围的温度已经达到40℃，因此实际测得CP U的温度比模拟加热面的温度高的多。

4.2 误差分析

1）模拟实验中，假设泡沫镁完全均匀介质，且没有缺陷，是一种理想状态，而实际实验测试中使用的泡沫镁是浇注盐粒预制体的铸造渗流法制备的，存在各种各样的缺陷，比如：金属骨架浇不足，盐粒腐蚀金属基体等等。

图10 CPU低功耗的温度曲线

2）模拟试验中，空气设定为理想气体，且温度恒为25℃，泡沫镁也为恒定物性参数；而实际测试中的CP U周围的空气受到电子元件散热的影响，使流体温度偏高，且泡沫镁的物性并不恒定，会随温度的变化而改变。

3）模拟过程中忽略了弥撒效应和泡沫镁散热器的热辐射。在强制对流作用下，忽略弥撒效应会对结果造成一定的误差。

4）模拟过程中忽略了Y、Z方向上的流速，而在实际应用中，由于风扇的安装位置不同，使流体在Y、Z上都有一定的流速。

5 结论

模拟了泡沫镁散热器散热性能，表面传热系数、压降随孔隙率、孔径的增大而减小，用换热系数压降比评价其综合散热性能，其随着孔隙率、孔径的增大而增大。泡沫镁散热器能够有效降低CP U的温度，和实际实验情况相符。

［1］谢德仁.电子设备热设计工作点评［J］.电子机械工程，1999（1）：26-28.

［2］汪双凤，李炅，张伟保.开孔泡沫金属用于紧凑型热交换器的研究进展［J］.化工进展，2008，27（5）：675-678.

［3］余建祖.电子设备热设计及分析技术［M］.高等教育出版社，2002.

［4］徐梦欣.泡沫镁合金的制备与性能研究［D］.太原：太原科技大学，2010.

［5］王超星，王芳，王录才.通孔泡沫金属传热性能研究进展［J］.铸造设备与工艺，2011（5）：42-44.

［6］Kim S Y，Paek J W，Kang B H. Flow and Heat Transfer Correlationsfor Porous Fin in a Plate-Fin Heat Exchanger［J］. Journal ofHeat Transfer，2000，122（3）：572-578.

［7］王晓鲁，姜培学，单或垚.泡沫金属与板翅结构强化换热研究［J］.工程热物理学报，2008（1）：121-123.

［8］史玉凤，刘红，孙文策.多孔介质有效导热系数的实验与模拟［J］.四川大学学报：工程科学版，2011，43（3）：198-203.

［9］屈治国，徐治国，陶文铨，等.通孔金属泡沫中的空气自然对流传热实验研究［J］.西安交通大学学报，2009，43（1）：1-4.

［10］谭礼明，南森，王芳，等.泡沫金属散热性能及应用前景［J］.铸造设备与工艺，2016（3）：51-54.

Simulation of Foamed Magnesium Heat Dispersion under Forced Convection

LIXian-chang，ZHANG Ying，WANG Fang
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）

Foamed magnesium is expected to become the corematerial of the radiator to solve the cooling problem of electronic products，because of its larger specific surface area，and the thermal conductivity of themetal skeleton.The heat dissipation of foamed magnesium radiator under forced convection was discussed.The results showed that the cooling effect of two kinds o foamed magnesium radiator is better than the traditional CPU radiator and the factors influencing the heat dissipating tproperty includes porosity，and pore size.The surface heat transfer coefficient and the pressure drop of the foamed magnesium radiator decreases with the increase of porosity and pore size，while the comprehensive heat dissipation increaseswith the increasing porosity and pore size.

foamed magnesium，radiator，forced convection

TQ132.2；TB383.4

A

1674-6694（2017）03-0019-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.007

2017-04-25

李贤昌（1994-），男，本科生。

王芳（1972-），女，副教授。

太原科技大学大学生创新创业训练计划项目XJ2016024.